Sicherstellung der Signalintegrität von Gigabit-Ethernet in industriellen Automatisierungsanwendungen für große Entfernungen

Paarweise verdrillte (Twisted-Pair) Ethernet-Verkabelung gilt als ausgereifte und zuverlässige Technologie, die sich seit vielen Jahren bei 10Base-T- und 100Base-T-Datenraten bewährt hat. Da der Highspeed-Ethernet-Verkehr jedoch 1 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) und mehr erreicht, müssen sich die Entwickler mit der Tatsache auseinandersetzen, dass Signale weniger gut auf Kabelinkonsistenzen reagieren und anfälliger für Interferenzen, Übersprechen, Impedanzverluste, Rückflussdämpfung durch reflektierte Signale und Dämpfung werden.

Die Probleme werden noch verschärft, wenn die Kabellängen zunehmen, wie z. B. in industriellen Automatisierungsanlagen. Diese haben die zusätzliche Komplikation des Verdrehens und Biegens von Ethernet-Kabeln während des Layouts sowie in Anwendungen wie Robotik und anderen Maschinen. Diese wiederholte Biegung kann die verdrillten Paare trennen und die elektrische Leistung des Kabels beeinträchtigen. Die daraus resultierende Signalabschwächung kann zu zeitweiligen Datenverlusten führen, die sich mit der Zeit verschlimmern. Diese Art von Fehlern ist bekanntermaßen schwer zu erkennen und zu beheben, was zu langen und teuren Systemausfallzeiten führt.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen bei der Übertragung von digitalen Highspeed-Ethernet-Daten über Twisted-Pair-Leitungen erörtert. Es wird erläutert, wie Bonded-Pair-Ethernet-Kabel verwendet werden können, um eine gleichbleibende Leistung für Highspeed-Ethernet-Daten über große Entfernungen zu gewährleisten, einschließlich geringerer Signalverluste und Widerstandsfähigkeit gegen physischen Missbrauch. Anschließend werden zwei Beispiele für Bonded-Pair-Ethernet-Kabel von Belden vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie zur Gewährleistung der Ethernet-Signalintegrität in industriellen Umgebungen eingesetzt werden können.

Zuverlässige Übertragung von Gigabit-Ethernet-Daten

Standard-Ethernet-Kabel übertragen Daten über paarweise verdrillte Kupferleitungen. In der Vergangenheit verwendeten billigere Kabel möglicherweise nur zwei verdrillte Paare, aber moderne herkömmliche Ethernet-Kabel haben vier verdrillte Paare für Highspeed-Datenübertragung und Power-Over-Ethernet (PoE). Bei allen Ethernet-Kabeln kommt es aufgrund der Kabelkonstruktion, der Kabellänge, der Interferenzen und der Datenrate zu einem gewissen Grad zu einer Signalverschlechterung. Wenn Hochgeschwindigkeitsdaten über 10 Meter (m) oder längere Kabel übertragen werden, ist die Kabelkonstruktion dafür verantwortlich, eine übermäßige Signalverschlechterung zu verhindern.

Die meisten kommerziellen und industriellen Ethernet-Kabel für niedrige Geschwindigkeiten verwenden verdrillte Paare aus Kupferlitzen. Kupferlitzen sind sehr flexibel und lassen sich leicht verarbeiten. Das Ergebnis ist ein Kabel, das sich um Ecken biegen lässt und auch dann an Ort und Stelle bleibt, wenn es mit Klebeband an Böden und Befestigungspunkten befestigt wird. Kupferlitzen haben jedoch einen größeren Widerstand gegen den Stromfluss als massive Kupferdrähte, insbesondere über lange Strecken. Dadurch eignen sich massive Kupferkabel besser für Hochgeschwindigkeitsdaten, die in der Regel mit niedrigeren Signalspannungen arbeiten, wodurch Hochgeschwindigkeitsdaten anfälliger für Signaldämpfungen und Datenverluste aufgrund des Leitungswiderstands sind. Für PoE kann massives Kupfer auch mehr Strom übertragen und erzeugt im Vergleich zu Kabeln aus Kupferlitzen weniger Wärme, was es zu einer geeigneteren Option macht.

Der Nachteil von massivem Kupfer ist, dass es sich nicht so gut biegen lässt und einen größeren Widerstand gegen das Biegen aufweist als Kupferlitzen, so dass beim Verlegen des Kabels ein gewisser Mehraufwand erforderlich sein kann.

Twisted-Pair-Ethernet-Kabel bieten den Empfängern und Sendern an den RJ45-Steckern eine charakteristische Impedanz. Diese Impedanz beträgt in der Regel 100 Ohm (Ω) und muss über die gesamte Länge des Kabels gleichmäßig sein. Die Impedanz wird durch den Mittenabstand zwischen den beiden Leitern des verdrillten Paares beeinflusst. Der Aufprall eines schweren Gegenstandes oder die mit der Dehnung oder Quetschung eines Kabels verbundenen Spannungen können die verdrillten Paare trennen und den Mittenabstand in einigen Abschnitten verändern. Dies führt zu einer Änderung der Kabelimpedanz, die das Signal verschlechtert. Bei Geschwindigkeiten von 10 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) (10Base-T) oder 100 Mbit/s (100Base-T) macht sich dies möglicherweise nicht bemerkbar, kann aber bei Gigabit-Geschwindigkeiten (1000Base-T) zu Datenverlusten führen.

Übersprechen ist eine weitere Ursache für eine Signalverschlechterung. Die parallele Verwendung von zwei Hochgeschwindigkeitsleitungen führt dazu, dass jeder Leiter einen Strom in der anderen Leitung induziert, was den schlimmsten Fall von Übersprechen darstellt. Um das Risiko von Übersprechen und Signalverlusten zu minimieren, werden die Kabel in selbstgeschirmten, verdrillten Paaren verlegt. Wie beim Impedanzverlust erhöht sich jedoch das Übersprechen zwischen den Paaren, wenn die beiden Drähte des verdrillten Paares durch äußere Kräfte auf das Kabel geschoben oder verschoben werden, was die Zuverlässigkeit des Signals verringert.

Die Kombination aus Impedanzverlust und Übersprechen in Verbindung mit dem elektrischen Widerstand des Kabels über die Entfernung führt zu einer Rückflussdämpfung durch die Reflexion des Signals zurück zu seiner Quelle. Rückflussdämpfung ist zwar zu erwarten und wird durch Echounterdrückung an den Abschlüssen kompensiert, aber eine übermäßige Rückflussdämpfung kann ein ernsthaftes Problem darstellen, das zu zeitweiligem Datenverlust führt. Dieses Problem ist bekanntlich schwer zu diagnostizieren und kann zu übermäßigen Ausfallzeiten führen. Das Problem kann sich in industriellen Umgebungen mit starken Vibrationen noch verschärfen, wenn sich die Position des Ethernet-Kabels verschiebt und sich dadurch die elektrischen Eigenschaften ändern, was zu Datensignalproblemen führt, die auf mysteriöse Weise verschwinden, wenn die Vibrationen oder Bewegungen aufhören.

Bonded-Pair-Ethernet-Kabel

Wie bereits erwähnt, werden Impedanzverlust, Übersprechen und Rückflussdämpfung stark durch den ungleichmäßigen Mittenabstand zwischen den verdrillten Paaren über die gesamte Kabellänge beeinflusst. Für Entwickler, die Highspeed-Ethernet-Verbindungen in rauen Umgebungen verlegen, hat Belden das Problem mit seinen modularen 10GX CAT6- und CAT5E-Ethernet-Kabeln für Gigabit-Ethernet gelöst.

Bei Bonded-Pair-Kabeln wird die Zentrierung zwischen den verdrillten Adernpaaren durch eine physische Verbindung beibehalten, so dass selbst eine vorübergehende Trennung verhindert wird (Abbildung 1). Dadurch wird das Risiko von Impedanzverlusten und Übersprechen erheblich reduziert.

Abbildung 1: Das nicht verbundene verdrillte Paar auf der linken Seite hat die Zentrizität von Leiter zu Leiter aufgrund einer Lücke verloren, die durch Verdrehen oder Biegen des Paares entstanden ist. Das verbundene verdrillte Kabelpaar auf der rechten Seite behält seine Zentrierung bei, trotz äußerer Kräfte. (Bildquelle: Belden)

Bonded-Pair-Ethernet-Kabel von Belden verwenden außerdem massive Kupferleiter für die verdrillten Paare, was den elektrischen Widerstand reduziert. Darüber hinaus ermöglichen massive Kupferleiter im Vergleich zu Kupferlitzen für PoE-Anwendungen mehr Leistung bei weniger Verlust. Dies erhöht auch die Sicherheit, da die durch den Kabelwiderstand verursachte Hitze reduziert wird.

Durch die Reduzierung des elektrischen Widerstands des Kabels, die Verringerung des Impedanzverlusts und die Minimierung des Übersprechens wird die Datenintegrität für Gigabit-Ethernet selbst in rauen Umgebungen erheblich verbessert.

Für Gigabit-Ethernet-Patchkabel bietet Belden das 10 Fuß (ft.) lange Bonded-Pair-Ethernet-Kabel C601106010 an (Abbildung 2). Es handelt sich um ein CAT6+-Kabel mit vier miteinander verdrillten Paaren aus 24 AWG Kupferdraht. Die Enden sind mit RJ45-Steckern versehen, deren Elastomer-Manschette an den PVC-Außenmantel angegossen ist und so eine starke Zugentlastung bildet, die einer Trennung widersteht. Außerdem verhindert sie ein Verdrehen oder Trennen der verdrillten Paare am RJ45-Anschluss und bietet Schutz vor Wasser und Staub.

Abbildung 2: Das Ethernet-Kabel C601106010 von Belden ist mit zwei RJ45-Steckern mit einer über den PVC-Mantel gegossenen Elastomer-Zugentlastung versehen, um die Kabelanschlüsse vor Staub und Feuchtigkeit zu schützen. (Bildquelle: Belden)

Das blaue Ethernet-Kabel hat einen Durchmesser von 5,715 Millimetern (mm), was typisch für ein Ethernet-Kabel ist. Da die gebondeten Paare und die massiven Leiter die Kabelkonfektion nicht zusätzlich aufblähen, eignet sich das C601106010 für alle Anwendungen, bei denen handelsübliche Kabel verlegt werden.

Die Kabelkonfektion ist für eine Stromstärke von 1500 Ampere (A) pro Kontakt ausgelegt. In Kombination mit der Gigabit-Geschwindigkeit eignet sich das C601106010 für industrielle PoE-Anwendungen wie Robotik und IIoT-Endpunkte (Industrielles Internet der Dinge). Der maximale Kontaktwiderstand beträgt 0,020 Ω, was bei 1500 A nur 0,300 Watt Wärme erzeugt, eine für industrielle Anwendungen akzeptable Menge.

Dieses CAT6+-Kabel ist für 1000Base-T-Anwendungen ausgelegt und hat eine Betriebstemperatur von -10°C bis +60°C, wodurch es für industrielle Highspeed-Automatisierungsanwendungen mit großen Temperaturschwankungen geeignet ist.

Für längere Entfernungen bietet Belden das 25 ft. lange Bonded-Pair-Ethernet-Kabel CA21106025 an. Es handelt sich um eine CAT6a-Kabelkonfektion mit denselben grundlegenden elektrischen Spezifikationen wie das Belden C601106010 und denselben Anschlüssen wie in Abbildung 2. Da das Kabel CA21106025 jedoch länger ist, ist es anfälliger für externe Störungen: Gigabit-Geschwindigkeiten über ein 25 Fuß langes Kabel wirken wie eine Antenne, die elektromagnetische Strahlung von der umgebenden Elektronik auffangen kann. Um die Signalintegrität zu gewährleisten, verfügt der CA21106025 über eine äußere Abschirmung aus Aluminiumfolie. Daraus ergibt sich ein Durchmesser von 6,731 mm, der zwar etwas größer ist als bei handelsüblichen Kabeln, aber durchaus innerhalb der Toleranzen für Kabelführungen und gängige Verlegungsmethoden liegt.

Mit dieser Abschirmung ist das Kabel CA21106025 von Belden für 10GBase-T (10 Gbits/s) ausgelegt und eignet sich damit für sehr anspruchsvolle industrielle Automatisierungsanwendungen sowie für das Streaming von High-Definition-Video in einer Anlage.

Fazit

Gigabit-Ethernet bringt höhere Datenraten in industrielle Automatisierungsanlagen. Mit diesen Datenraten steigt auch das Risiko von Interferenzen, Übersprechen und Rückflussdämpfung, was zu unterbrochenen Datenverbindungen führen kann. Dies gilt insbesondere für industrielle Anwendungen, bei denen das Kabel wiederholt gebogen werden kann, was zu einem Verlust der elektrischen Leistung des Kabels führt.

Durch die Verwendung von gebondeten Twisted-Pair-Ethernet-Kabeln, die eine feste Zentrierung von Zentrum zu Zentrum gewährleisten, können Entwickler bequem höhere Geschwindigkeiten über größere Entfernungen nutzen und gleichzeitig die PoE-Anforderungen für Netzwerk-Upgrades und Neuinstallationen erfüllen.